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污水含盐率对3种湿地植物生长及光合特性的影响

更新时间:2016-07-05

人工湿地处理生活污水具有建设和运行费用低、效率高、处理效果稳定、方便维护的特点,同时兼具一定的环境效益和生态效益[1-2] .但其在运行时不可避免受到各种因素的影响,如湿地结构类型、水力负荷和污染负荷、植物的生长状况、湿地的地理位置和气温变化、运行方式等,其中植物是一个相当重要的因素[3].湿地植物与湿地其它组成部分形成小环境,改善根区环境、使得整个生态系统平衡运转,发挥良好的净化功能[4].植物在人工湿地污水净化过程中的作用与其生长状况密切相关[5],而植物光合作用是植物生长繁殖和净化污水的能量来源[6].利用盐沼湿地或盐碱地构建人工湿地处理生活污水时,土壤和水中盐分会影响植物正常生长及湿地污水净化效率[7].我国地域辽阔,不同地区土壤和气候差异较大,植物生长及湿地污水净化效果均受到一定程度地影响[8-9].目前利用人工湿地技术处理含盐污水的应用或耐盐湿地植物筛选的研究主要集中在沿海城市和滨海地区,且研究表明湿地植物对含盐污水具有较高的去除能力[10-12].在盐渍化土地面积较大的甘肃中西部地区[13],关于该方面的研究鲜见报道.

本研究以芦苇(Phragmites communis Trin)、香蒲(Typha orientalis Presl)和鸢尾(Iris tectorum Maxim)3种对环境适应能力较强、生态修复中主要应用的湿地植物[14]为研究对象,通过分析植株生长和叶片气体交换特性对污水含盐率的响应,评价3种湿地植物耐盐性及其对含盐污水的净化潜力,以期为内陆盐渍化地区人工湿地建设中适宜植物的筛选提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理

采用桶栽试验方法(桶体高90 cm、直径50 cm),桶体下层铺设大石粒(直径3~5 cm)20 cm、中间小石粒(直径1~2 cm)20 cm、上层土壤30 cm.为确保除盐分以外植物生长环境的一致性和试验的精确性,以当地(甘肃农业大学)土壤为基质,供试植物为芦苇、香蒲和鸢尾.为避免实际生活污水水质波动对实验结果的影响,本实验采用人工配制污水[15],即在每1L自来水中添加葡萄糖16.0 g、硫酸铵14.0 g、磷酸二氢钾1.8 g、蛋白胨3.2 g.实测配制污水的CODcr为(191.8~249.9)mg/L,TN为(27.5~33.5)mg/L,TP为(4.5~5.9)mg/L,pH为(7.72~7.67).参照甘肃中西部盐沼湿地含盐量(土壤含盐量以百分数表示,多含氯化物)[16],将分析纯NaCl用试验污水溶解,设置污水含盐率0.5%、1% 2个盐分梯度,并以同浓度污水处理(含盐量0%)为对照(CK),设3次重复,共27桶.

模拟潜流污水处理湿地系统,采用间歇进水方式向湿地系统均匀布水,每桶每次20 L,水力停留时间(HRT)7 d.分别距土壤表层 5 cm和桶底2 cm处设置进、出水口,进水流量由水表计量及阀门控制.植物由河北省廊坊市水生花卉养殖基地提供,分别选取长势大小相近的植株于4月17日栽植,每桶9株,株行距为15 cm×15 cm.缓苗期2~3 d浇灌适量清水,采用常规管理方法至5月下旬植物进入正常生长状态.于2016年6月4日开始进行试验,为期42 d.试验过程中及时清除杂草,雨天搭设雨棚.

1.2 测定指标及方法

株高、叶长采用卷尺测量,叶宽采用游标卡尺测量,比叶重采用打孔法.将收获的植物按地上部和地下部分样,地下部用自来水冲洗后,用吸水纸吸干表面水分.再将鲜样品置 105 ℃烘箱中杀青15 min,转至80 ℃烘至恒质量,测定生物量.于天气晴朗的上午8∶30至11∶30,采用CIRAS-2型便携式光合测定系统测定叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间二氧化碳浓度(Ci)、光合瞬时水分利用效率(WUE)、表观叶肉导度(AMC)、气孔限制百分率(Ls)、环境二氧化碳浓度(Ca).为研究试验周期内湿地植物生长及光合特性随污水含盐率的变化,上述指标在试验前、试验期末各测定1次.每个处理随机选取3株植物,每株测1个叶片,每个叶片重复记录3次.其中,叶片形态和叶片光合作用测定选取植株顶部功能叶片(植株上部第3-4片叶),且叶片的空间取向和角度尽量一致[17].利用公式计算叶面积[18]、根冠比[19]、光合瞬时水分利用效率(WUE)、表观叶肉导度(AMC)和气孔限制百分率(Ls)[20].

叶面积=叶长×叶宽×0.73;

根冠比=地下部干质量/地上部干质量;

光合瞬时水分利用效率(WUE)=Pn/Tr

表观叶肉导度(AMC)=Pn/Ci

气孔限制百分率(Ls)=(1-Ci/Ca)×100%.

1.3 数据处理与分析

1%污水含盐率处理下,3种湿地植物的叶长、叶宽、叶面积均显著低于0.5%污水含盐率处理(P<0.05),香蒲和鸢尾比叶质量显著高于0.5%污水含盐率处理(P<0.05).0.5%和1%污水含盐率处理下,3种湿地植物叶长、比叶质量均值比较,香蒲>鸢尾>芦苇,相互之间差异显著(P<0.05).0.5%和1%污水含盐率处理下,3种湿地植物叶宽、叶面积均值比较,鸢尾>香蒲>芦苇,3种植物相互之间差异不显著,则1%污水含盐率处理下3种植物的叶面积差异显著(P<0.05).即从叶片形态来看,鸢尾和香蒲的耐盐性较芦苇强.

随着互联网的蓬勃发展,足不出户订餐已成为一种趋势,在大学生群体中表现尤为明显[4-5].在回收的509份有效问卷中,有480份问卷显示订购外卖,占样本总量的94.3%,具体统计结果见表2.

本研究基于国内外现有文献的研究,吸取以往文献中设立评价指标体系的经验,按照系统性与逻辑性结合的原则、主体性与协同性结合的原则、静态与动态结合的原则、可比性与操作性结合的原则建立适合辽宁省地区的区域创新能力评价指标体系。由于辽宁最近几年的资源较为匮乏,所以结合辽宁实际,我们增加了资源能力创新这项一级指标。

2 结果与分析

2.1 污水含盐率对湿地植物生长的影响

王树凤在对栎树(Quercus Linn)盐胁迫的研究表明植物不同部位对盐胁迫的敏感程度不同[19].本研究表明,3种湿地植物的株高、地上部干质量、根干质量和总生物量随含盐率增加均显著下降,根冠比显著增加.这与陈友媛等[21]对滨海区芦苇和香蒲的耐盐性研究,及黄雍容等[22]对台湾海桐(Pittosporum formosanum Hayata)和台湾栾树(Koelreuteria elegans subsp.formosana)盐胁迫的研究结果相似.含盐污水处理下,植株生长受到抑制,地上部受抑制程度大于根系,导致根冠比显著提高,表明含盐污水处理下增加生物量在根部的分配是湿地植物应对盐胁迫的策略之一.含盐污水处理下,香蒲和鸢尾地上地下部干质量和总生物量下降较芦苇显著,湿地耐盐植物能够累积一定量的生物量,说明湿地耐盐植物能够有效利用水分和有机物质,具有净化含盐污水的潜能.

表1 污水含盐率对3种植物株高及生物量的影响 Table 1 Effects of sewage salinity on plant height and biomass of three plants

物种处理株高/cm地上部干质量/(g·株-1)地下部干质量/(g·株-1)总生物量/(g·株-1)根冠比CK109.03±2.24bA19.22±0.91abA8.01±0.70abA27.34±1.60abA0.42±0.02aC香蒲0.5%86.05±3.38bB7.80±0.75bB4.78±0.47bB12.58±1.20bB0.61±0.01bB1%85.87±2.85aB4.83±0.39bC3.58±0.46bC8.41±0.59bC0.74±0.04bACK84.99±1.45cA18.74±0.82bA7.56±0.60bA26.30±1.42bA0.40±0.01aC鸢尾0.5%70.88±0.62cB6.57±0.67bB3.63±0.40cB10.21±1.06bB0.55±0.01cB1%66.31±2.11bC2.88±0.67cC2.41±0.27bC5.32±0.95cC0.85±0.06aACK128.24±1.54aA20.44±0.59aA8.81±0.47aA29.26±1.06aA0.43±0.01aC芦苇0.5%106.95±2.65aB10.44±0.94aB7.16±0.73aB17.60±1.67aB0.69±0.04aB1%88.70±2.26aC6.59±0.87aC4.93±0.51aC11.52±1.38aC0.75±0.02aA

不同小写字母表示植物间差异达显著水平(P<0.05).不同大写字母表示盐度间差异达显著水平(P<0.05).

1%污水含盐率处理下,3种湿地植物的株高、地上部干质量、根干质量和总生物量均显著低于0.5%污水含盐率处理(P<0.05),根冠比显著高于0.5%污水含盐率处理(P<0.05).0.5%和1%污水含盐率处理下,3种湿地植物株高、地上部干质量、总生物量均值比较,芦苇>香蒲>鸢尾,前2种植物株高差异不显著,后2种植物地上部干质量差异不显著,0.5%污水含盐率处理下后2种植物总生物量差异不显著,1%污水含盐率处理下后2种植物地下部干质量差异不显著.3种湿地植物根冠比均值比较,0.5%污水含盐率处理下,芦苇>香蒲>鸢尾,3种植物相互之间差异显著(P<0.05);1%污水含盐率处理下,鸢尾>芦苇>香蒲,前2种植物相互之间差异不显著.即从植株生长与生物量来看,3种植物的耐盐性:芦苇>香蒲>鸢尾.

含盐污水处理下,3种湿地植物的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、光合瞬时水分利用效率(WUE)和表观叶肉导度(AMC)均显著低于CK(P<0.05)(图1-5),胞间二氧化碳浓度(Ci)低于CK(图6),气孔限制百分率(Ls)高于CK(图7).试验期末,0.5%、1%含盐污水处理下,香蒲、鸢尾和芦苇净光合速率(Pn)相比对照(CK)的最大降幅分别为71.9%、59.2%、56.0%,随污水含盐率增加3种植物净光合速率(Pn)相比对照(CK)的降幅显著增加(P<0.05);香蒲、鸢尾和芦苇气孔导度(Gs)相比对照(CK)的最大降幅分别为41.2%、65.9%、35.4%,随污水含盐率增加3种植物气孔导度(Gs)相比对照(CK)的降幅显著增加(P<0.05);香蒲、鸢尾和芦苇蒸腾速率(Tr)相比对照(CK)的最大降幅分别为40.5%、48.6%、14.1%,随污水含盐率增加3种植物蒸腾速率(Tr)相比对照(CK)的降幅显著增加(P<0.05);香蒲、鸢尾和芦苇光合瞬时水分利用效率(WUE)相比对照(CK)的最大降幅分别为26.0%、45.4%、52.5%,随污水含盐率增加香蒲和芦苇光合瞬时水分利用效率(WUE)相比对照(CK)的降幅显著增加(P<0.05),鸢尾相比对照(CK)的降幅不显著;香蒲、鸢尾和芦苇表观叶肉导度(AMC)相比对照(CK)的最大降幅分别为54.4%、69.6%、57.9%,随污水含盐率增加3种植物表观叶肉导度(AMC)相比对照(CK)的降幅显著增加(P<0.05);香蒲、鸢尾和芦苇胞间二氧化碳浓度(Ci)相比对照(CK)的最大降幅分别为4.3%、8.2%、2.7%,随污水含盐率增加3种植物胞间二氧化碳浓度(Ci)相比对照(CK)的降幅无显著变化;香蒲、鸢尾和芦苇气孔限制百分率(Ls)相比对照(CK)的最大增幅分别为9.7%、12.1%、3.6%,随污水含盐率增加3种植物胞间孔限制百分率(Ls)相比对照(CK)的增幅无显著变化.

在施工开挖过程中,应连续观察邻近地表、建筑物的变形或开裂情况。通常紧靠基坑的建筑物或地表发生细小裂缝和轻微开裂属于正常情况,但必须密切观测其发展趋势,必要时采取适当的处理措施。当裂缝不断发展并延伸时必须停止施工,对原设计支护参数进行修改,同时对已施工的部位进行加固。当基坑顶部的侧向位移与当时开挖深度之比>2‰时,应对支护采取加固措施并加强观察其变化,并考虑与其他支护方法配合使用,以确保安全。

采用SPSS 21.0软件对所有数据进行统计分析,Excel 2010制图.

表2 污水含盐率对3种植物基本生长状况的影响

Table 2 Effects of sewage salinity on the basic growth condition of three plants

物种处理叶长/cm叶宽/cm叶面积/cm2比叶质量/(mg·cm-2)CK75.83±0.17aA0.85±0.02cA46.86±0.71bA6.90±0.31aB香蒲0.50%60.79±0.70aB0.69±0.03cB30.58±1.71bB7.43±0.60aB1%53.67±1.08aC0.59±0.04cC23.29±1.96bC8.99±0.31aACK57.36±1.85bA2.81±0.04aA117.64±2.04aA1.49±0.15bC鸢尾0.50%48.04±0.35bB1.78±0.04aB62.31±0.65aB2.58±0.18bB1%37.19±0.65bC1.63±0.07aC44.35±2.56aC3.22±0.10bACK29.94±0.39cA1.61±0.04bA35.24±1.24cA1.27±0.01bA芦苇0.50%26.22±0.34cB1.53±0.03bB29.31±0.09bB1.54±0.04cA1%17.29±0.51cC1.19±0.03bC15.00±0.35cC1.71±0.02cA

不同小写字母表示植物间差异达显著水平(P<0.05),不同大写字母表示盐度间差异达显著水平(P<0.05).

2.2 污水含盐率对3种湿地植物叶片光合作用的影响

海南作为国家“一带一路”海上丝绸之路中心枢纽的被寄予了厚望,在未来30年经济增长和开放程度都将快速增长,培育更具国际海岛特色的优势竞争力成为今后海南自贸区发展的重大命题。

图1 污水含盐率对3种植物净光合速率的影响 Figure 1 Effect of salt content on net photosynthetic rates(Pn)of 3 plants

图2 污水含盐率对3种植物气孔导度的影响 Figure 2 Effect of salt content on stomatal conductance(Gs)of 3 plants

图3 污水含盐率对3种植物蒸腾速率的影响 Figure 3 Effect of salt content on?transpiration rate(Tr) of 3 plants

图4 污水含盐率对3种光合瞬时水分利用效率的影响 Figure 4 Effect of salt content on photosynthetic instantaneous water use efficiency (WUE) of 3 plants

图5 污水含盐率对3种植物叶肉导度的影响 Figure 5 Effect of salt content on apparent leaf mesophyll conductance (AMC)of 3 plants

1%污水含盐率处理下,3种湿地植物的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和表观叶肉导度(AMC)均显著低于0.5%污水含盐率处理(P<0.05);香蒲和芦苇光合瞬时水分利用效率(WUE)均显著低于0.5%污水含盐率处理(P<0.05),鸢尾光合瞬时水分利用效率(WUE)低于0.5%污水含盐率处理;3种湿地植物的胞间二氧化碳浓度(Ci)低于0.5%污水含盐率处理;3种湿地植物的气孔限制百分率(Ls)高于0.5%污水含盐率处理.0.5%和1%污水含盐率处理下,3种湿地植物净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、表观叶肉导度(AMC)均值比较,芦苇>香蒲>鸢尾,相互之间差异显著(P<0.05).0.5%污水含盐率处理下,3种湿地植物蒸腾速率(Tr)均值比较,鸢尾>芦苇>香蒲,相互之间差异显著(P<0.05);1%污水含盐率处理下,芦苇>鸢尾>香蒲,前两种植物相互之间差异不显著.0.5%和1%污水含盐率处理下,3种湿地植物光合瞬时水分利用效率(WUE)均值比较,香蒲>芦苇>鸢尾,相互之间差异显著(P<0.05).0.5%和1%污水含盐率处理下,3种湿地植物胞间二氧化碳浓度(Ci)均值比较,芦苇>鸢尾>香蒲,3种植物相互之间差异不显著.0.5%和1%污水含盐率处理下,3种湿地植物气孔限制百分率(Ls)均值比较,香蒲>鸢尾>芦苇,3种植物相互之间差异不显著.即从光合特性来看,3种植物的耐盐性:芦苇>香蒲>鸢尾.

2.1.2 植物叶片形态 含盐污水处理下,3种湿地植物的叶长、叶宽、叶面积均显著低于对照(CK)(P<0.05),平均比叶质量高于对照(CK)(表2).试验期末,0.5%、1%含盐污水处理下,香蒲、鸢尾和芦苇叶长相比对照(CK)的最大降幅分别为31.7%、35.2%、42.2%,随污水含盐率增加3种植物叶长相比对照(CK)的降幅显著增加(P<0.05);香蒲、鸢尾和芦苇叶宽相比对照(CK)的最大降幅分别为30.6%、42.0%、26.1%,随污水含盐率增加3种植物叶宽相比对照(CK)的降幅显著增加(P<0.05);香蒲、鸢尾和芦苇叶面积相比对照(CK)的最大降幅分别为50.3%、62.3%和57.4%,随污水含盐率增加叶面积相比对照(CK)的降幅显著增加(P<0.05).香蒲、鸢尾、芦苇比叶质量相比对照(CK)的最大增幅分别为30.4%、113.3%和30.8%,随污水含盐率增加比叶质量相比对照(CK)的增幅差异不显著.

图6 污水含盐率对3种胞间二氧化碳(Ci)的影响 Figure 6 Effect of salt content on intercellular carbon dioxide concentration (Ci) of 3 plants

图7 污水含盐率对3种植物气孔限制百分率(Ls)的影响 Figure 7 Effect of salt content on stomatal limitation percentage (Ls) of 3 plants

3 讨论

2.1.1 植株生长与生物量 含盐污水处理下,3种湿地植物的株高、地上部干质量、根干质量和总生物量均显著低于CK(P<0.05),根冠比显著高于CK(P<0.05)(表1).试验期末,0.5%、1%含盐污水处理下,香蒲、鸢尾和芦苇株高相比对照(CK)的最大降幅分别为21.2%、22.0%、30.8%,随污水含盐率增加鸢尾和芦苇株高相比对照(CK)的降幅显著增加(P<0.05);香蒲、鸢尾、芦苇的地上部干重相比对照(CK)的最大降幅分别为74.9%、84.6%、67.8%,随污水含盐率增加3种植物地上部干重相比对照(CK)降幅显著增加(P<0.05);香蒲、鸢尾、芦苇的地下部干质量相比对照(CK)的最大降幅分别为64.4%、67.1%、44.0%,随污水含盐率增加3种植物地下部干质量相比对照(CK)的降幅显著增加(P<0.05);香蒲、鸢尾、芦苇的总生物量相比对照(CK)的最大降幅分别为71.9%、79.5%、60.6%,随污水含盐率增加3种植物总生物量相比对照(CK)的降幅显著增加(P<0.05);香蒲、鸢尾、芦苇的根冠比相比对照(CK)的最大增幅分别为76.2%、112.5%、74.4%,随污水含盐率增加根冠比相比对照(CK)的增幅差异不显著(P<0.05).

“轰!”一声闷响,武成龙翻腾落地,白色长衫肢离破碎,他踉跄后退,直到退到萧飞羽身侧被萧飞羽暗涌的内劲泄去身上残余的力道才刹住后退之势。此时他脸色虽然灰败,但眼中却流露出高昂的斗志,要不是萧飞羽传音让他去换身行头……

研究表明盐胁迫下菊苣(Cichorium intybus L.‘Commander’)的叶长、宽和面积均显著下降[23].本研究表明,含盐污水处理下,3种植物的叶长、叶宽、叶面积均显著低于CK,3种植物叶面积较CK最大降幅为62.3%.说明含盐污水处理下这3种湿地植物的叶片生长和叶面积受到显著抑制,本结果与范希峰等[24]对柳枝稷(Panicum virgatum)的研究结果类似.而污水含盐率处理下,3种湿地植物比叶重增加,这与李翠芳等[25]的研究结果一致.含盐污水处理下湿地植物为缓解盐胁迫造成的生理干旱,3种湿地植物的叶面积减小、叶片增厚,其中鸢尾比叶重最大增幅为113.3%,就叶片变化来看鸢尾和香蒲对盐胁迫更具有耐受性.

含盐污水处理下3种湿地植物的净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)均随污水含盐率增加显著下降,这与徐晨等[20]的研究结果一致.盐胁迫下Pn下降的原因有气孔限制因素和非气孔限制因素[23].而随污水含盐率增加,胞间二氧化碳浓度(Ci)并无显著降低,气孔限制百分率(Ls)也无显著增加.表明Pn下降的原因并不完全是气孔限制因素.而在含盐污水处理下表观叶肉导度(AMC)显著降低,据此推测湿地植物光合能力下降的原因与RuBPCase等非气孔限制因素有关[26-27].同时,蒸腾作用(Tr)和光合瞬时水分利用效率(WUE)随污水含盐率增加显著下降.1%污水含盐率处理下,即使净光合速率(Pn)和蒸腾作用(Tr)的降幅较大,但香蒲、鸢尾和芦苇仍保持相对较高的光合瞬时水分利用效率(WUE),分别为CK的74.1%、54.5%和47.5%,0.5%污水含盐率处理下芦苇光合瞬时水分利用效率(WUE)可高达CK的82.1%.植物较高的水分利用效率可减轻盐胁迫对其细胞形态的伤害和生命活动的干扰.

4 结论

1) 湿地植物在含盐污水胁迫下生长和生物量受到显著抑制,叶面积减小、单位叶面积干质量增加.且地上部受抑制程度大于根系,导致根冠比显著提高.

2) 3种湿地植物的净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)均随含盐率增加显著下降,胞间二氧化碳浓度(Ci)无显著降低,气孔限制百分率(Ls)也无显著增加,表明净光合速率(Pn)下降的原因并不完全是气孔限制因素.而随含盐率增加表观叶肉导度(AMC)显著下降,据此推测湿地植物光合能力下降的原因与RuBPCase活性等非气孔限制因素有关.

3) 综合含盐污水处理下3种湿地植物生长和叶片光合特性得出,3种湿地植物的耐盐性及其对含盐污水的净化潜力表现为芦苇>香蒲>鸢尾.

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王巧芳,陈年来,褚润
《甘肃农业大学学报》2018年第02期文献

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